专利名称：具有无铁心电枢装置的直线无刷直流电动机的制作方法
技术领域：
本发明一般涉及直线运动装置，尤其涉及具有无铁心电枢装置并在其整个行程中具有基本上恒定的力的直线无刷直流电动机。
背景技术：
最简单的一种可能的直线运动装置是圆柱直线音圈致动器。不过，它们是有限的行程的装置。如果需要长的行程，可以使用换向的直线音圈致动器，也被称为直线无刷直流电动机(图1A)。具有磁通集中磁路的直线无刷非换向装置的一个例子可以在美国专利5345206中找到，该专利转让给BEI Electronics，Inc.，其也是本申请的受让人。该专利作为参考被包括在本申请中。
当在伺服系统中使用直线运动装置时，运动部分(电枢装置)的质量应当最小。此外，除去沿运动方向的力之外的由电动机产生的所有的力应当被消除或者被减到最小。并且最后，为了实现平滑运行，由伺服电动机产生的力应当在整个行程中保持恒定。
发明内容
因此，本发明的目的在于提供一种具有长的行程和低质量的运动部分的直线运动装置。
本发明的另一个目的在于提供一种呈直线无刷直流电动机形式的直线运动装置，其中由电动机产生的沿运动方向之外的力被减到最小。
本发明的另一个目的在于提供一种能够平稳运行的直线无刷直流电动机，其中所产生的力在整个行程中保持恒定。
本发明的另一个目的在于提供一种能够平稳运行的直线无刷直流电动机，其中借助于使用三相电动机的正弦换向，使得所产生的力在整个行程中保持恒定。
按照本发明，提供一种具有无铁心的电枢装置以及适合于实现所需的力相对行程为恒定的特性的磁场装置的直线无刷直流电动机，例如，图2所示的装置。
本发明包括电枢装置和磁场装置，所述磁场装置包括多个永磁体，每个永磁体具有一定长度，以及多个磁极片，每个磁极片具有一定长度。所述多个永磁体的长度和所述多个磁极片的长度之间的比适合于实现力相对行程为恒定的特性。
按照本发明，提供一种无刷直流电动机，其包括电枢装置；和磁场装置，所述磁场装置相对于所述电枢装置被这样设置，使得在它们之间形成气隙。所述磁场装置包括多个永磁体，每个具有一定长度；以及多个磁极片，每个具有一定长度。选择所述多个永磁体的长度和所述多个磁极片的长度之间的比，以提供所述气隙中的磁通密度的正交分量的正弦分布。
通过阅读下面的本发明详细说明并参看附图，可以更容易地理解本发明的这些和其它目的、特征和优点。
图1A表示直线无刷直流电动机；图1B是在以前的美国专利5345206中披露的直线音圈致动器的截面图；图2是简化的截面图，表示本发明的直线无刷直流电动机的实施例的壳体、磁场装置和电枢装置；图3是本发明的直线无刷直流电动机的实施例的磁场装置的简化的截面图；图4是表示本发明的直线无刷直流电动机的实施例的端帽的细节的截面图；图5表示按照本发明的一个实施例的气隙中的磁通密度的正交分量的正弦分布；图6表示按照本发明的一个实施例的对于三相电动机的一相或者两相的组合获得的正弦力相对整个行程的曲线；以及图7A和图7B分别是本发明的一个实施例的电枢装置的透视图和截面图。
具体实施例方式
按照本发明，直线无刷直流电动机10包括电枢装置13，“夹在”由软磁材料制成的两个端帽14和16之间的磁场装置12，以及也是由软磁材料制成的两个半个壳体，18，20。磁场装置12，以及端帽14，16和壳体18，20构成一个公共的磁路。
磁场装置12包括非磁性杆22，其限定一个公共的磁场装置轴线，在其上安装有轴向磁化的圆柱形永磁体24，软磁极片26，以及两个轴向磁化的端部永磁体28，30。例如如图3所示。
磁极片26位于沿反方向磁化的永磁体24之间。所有的磁体24和磁极片26被连结在一起。为了居中，磁场装置杆22的两端被装配在也加工端帽14和16中的圆柱形孔32中。两个半个壳体18，20被装配在也在端帽14，16内加工成的环形空腔34内。为了防止两个半个壳体18，20的角向错位，它们在两端利用锁定销36固定在合适的位置。如图4所示。
虽然本发明的磁性元件的构型和美国专利5345206(该专利被授予Morcos，被转让给BEI Electronics，Inc.，本申请的受让人)披露的动圈致动器的类似，但是具有两个主要区别1)US 5345206的设计旨在产生磁通会聚的磁路，而本发明允许实现气隙中的磁通密度的正交分量的正弦分布，如图5所示。所述正弦分布是通过选择永磁体的长度和磁极片的长度之间的合适的比例获得的。例如，参看图3的磁极片和永磁体(除去端部的永磁体之外)，一个合适的比例可以是磁极片的长度是永磁体的长度的三分之二。端部磁体的长度也被相应地选择。
2)对于三相电动机的一相或两相的组合为了得到正弦力相对整个行程的曲线，如图6所示，应当对于磁极片长度(lp.p)和端部磁极片长度(lE.p.p)之间的合适的比例的选择给予特殊的注意，该端部磁极片与端帽是一体的部分。参见图2，其中示出了一个合适的比例的例子，该比例为端部磁极片的长度(lE.p.p)是磁极片长度(lp.p)的一半(1/2)。
电枢装置13包括非磁性的圆柱线圈基体38，该基体具有用于线圈40的腔体，三相绕组和两个用于和负载相连的安装支架42，44，如图7所示。
电枢装置13可以在电动机本身的直线轴承(未示出)上滑动，或者被负载的直线轴承支撑着。
本说明使用的术语和表述旨在用于说明而不用于限制，这些术语和表述并不排除所示出和描述的特征的等效物，应当理解，在本发明的权利要求书的范围内可以实现不同的实施例。
权利要求
1.一种无刷直流电动机，包括电枢装置；以及磁场装置，所述磁场装置包括多个永磁体，每个永磁体具有一定长度；以及多个磁极片，每个磁极片具有一定长度；并且其中所述多个永磁体的长度和所述多个磁极片的长度之间的比适合于实现力相对行程为恒定的特性。
2.一种无刷直流电动机，包括电枢装置；以及磁场装置，所述磁场装置相对于所述电枢装置被这样设置，使得在它们之间形成气隙，所述磁场装置包括多个永磁体，每个具有一定长度；以及多个磁极片，每个具有一定长度；并且其中选择所述多个永磁体的长度和所述多个磁极片的长度之间的比，以在所述气隙中提供磁通密度的正交分量的正弦分布。
3.按照权利要求1或2所述的无刷直流电动机，还包括由磁性材料构成的壳体；以及端帽，其包括具有一定长度的端部磁极片并且被这样设置在磁场装置上，使得所述磁场装置、所述端帽和所述壳体形成一个公共磁路；以及其中所述端部磁极片的长度和所述多个磁极片的长度的比被这样选择，使得所述无刷直流电动机能够获得力相对整个行程为正弦的特性。
4.按照权利要求1或2所述的无刷直流电动机，其中所述多个永磁体和多个磁极片被沿着公共磁场装置轴线设置，并且使得所述多个永磁体的每一个由所述多个磁极片中的不同磁极片相互分离。
5.按照权利要求3所述的无刷直流电动机，其中所述多个磁极片中每个磁极片的长度是所述多个永磁体中每个永磁体的长度的三分之二(2/3)。
6.按照权利要求4所述的无刷直流电动机，其中所述多个磁极片中每个磁极片的长度是所述多个永磁体中每个永磁体的长度的三分之二(2/3)。
7.按照权利要求3所述的无刷直流电动机，其中所述端部磁极片中每个的长度是所述多个磁极片中每个的长度的一半(1/2)。
8.按照权利要求4所述的无刷直流电动机，其中所述端部磁极片中每个的长度是所述多个磁极片中每个的长度的一半(1/2)。
9.按照权利要求5所述的无刷直流电动机，其中所述端部磁极片中每个的长度是所述多个磁极片中每个的长度的一半(1/2)。
10.按照权利要求6所述的无刷直流电动机，其中所述端部磁极片中每个的长度是所述多个磁极片中每个的长度的一半(1/2)。
11.按照权利要求1或2所述的无刷直流电动机，其中所述电枢装置包括非磁性的线圈基体，以及被支撑在所述非磁性线圈基体上的多个线圈。
12.按照权利要求11所述的无刷直流电动机，其中所述多个线圈构成三(3)相绕组。
13.一种直线运动装置，包括磁场装置，所述磁场装置包括多个磁极片；多个端部磁极片；以及多个永磁体；其中所述多个磁极片、多个端部磁极片和多个永磁体被沿着公共轴线设置，使得多个磁极片中各磁极片位于多个永磁体中各永磁体之间；被设置在所述磁场装置周围的壳体，用于和所述磁场装置构成公共磁路；电枢装置，其适合于沿着所述公共轴线行进，并位于所述壳体和所述磁场装置之间，以在所述电枢装置和所述磁场装置之间限定一个气隙，所述电枢装置包括非磁性的线圈基体；被支撑在所述非磁性线圈基体上的多个线圈；并且其中所述多个永磁体中每个具有一定长度和极性，所述多个磁极片中每个和多个端部磁极片中每个具有一定长度，所述长度被这样选择，使得所述磁场装置提供力相对行程为恒定的特性，以及提供气隙中磁通密度的正交分量的正弦分布。
14.按照权利要求13所述的直线运动装置，其中所述多个磁极片中每个磁极片的长度是所述多个永磁体中每个永磁体的长度的三分之二(2/3)。
15.按照权利要求13所述的直线运动装置，其中所述端部磁极片中每个的长度是所述多个磁极片中每个的长度的一半(1/2)。
16.一种用于构成具有电枢装置和磁场装置的无刷直流电动机的方法，包括以下步骤沿着公共磁场装置轴线设置多个永磁体，每个永磁体具有一定长度；沿着公共磁场装置轴线设置多个磁极片，每个磁极片具有一定长度，并使得所述多个磁极片中各磁极片和所述多个永磁体中各永磁体相交替；以及选择所述多个永磁体的长度和所述多个磁极片的长度之间的比，以在电枢的一相或者两相的组合被激励时实现力相对行程为正弦的特性。
17.按照权利要求16所述的方法，还包括以下步骤相对于所述电枢装置设置所述磁场装置，使得在它们之间形成气隙，并且其中的选择步骤还包括设置所述多个永磁体的长度和所述多个磁极片的长度，以在所述气隙内提供磁通密度的正交分量的正弦分布。
18.按照权利要求16或17所述的方法，还包括以下步骤提供由磁性材料制成的壳体；提供包括具有一定长度的端部磁极片的端帽，以及这样设置所述壳体和端帽以及磁场装置，使得所述磁场装置、端帽和壳体形成公共磁路；以及调节所述端部磁极片的长度和所述多个磁极片的长度的比，使得所述无刷直流电动机获得力相对整个行程为正弦的特性。
19.按照权利要求16或17所述的方法，其中所述选择步骤包括以下步骤将所述多个磁极片中每个的长度设置为所述多个永磁体中每个的长度的三分之二(2/3)。
20.按照权利要求18所述的方法，其中所述调节步骤包括以下步骤将所述多个磁极片中每个的长度设置为所述多个永磁体中每个的长度的三分之二(2/3)。
21.按照权利要求18所述的方法，其中所述调节步骤包括以下步骤将所述端部磁极片中每个的长度设置为所述多个磁极片中每个的长度的一半(1/2)。
22.按照权利要求16或17所述的方法，还包括以下步骤由非磁性线圈基体和支撑在所述非磁性线圈基体上的多个线圈构成电枢装置。
23.按照权利要求22所述的方法，其中构成所述电枢装置的步骤包括由多个线圈构成三(3)相绕组的步骤。
24.一种用于构成直线运动装置的方法，包括以下步骤利用多个磁极片、多个端部磁极片和多个永磁体构成磁场装置；沿着一公共轴线设置所述多个磁极片、多个端部磁极片和多个永磁体，使得所述多个磁极片中各磁极片位于所述多个永磁体中各永磁体之间；在所述磁场装置周围设置一个壳体，从而与所述磁场装置形成公共磁路；把多个线圈支撑在非磁性线圈基体上，从而形成电枢装置；设置所述电枢装置，使其适合于在壳体和磁场装置之间沿着公共轴线行进，并在电枢装置和磁场装置之间限定一个气隙，以及设置所述多个永磁体中每个的长度和极性、所述多个磁极片中每个的长度和极性以及所述端部磁极片中每个的长度和极性，使得所述磁场装置提供力相对行程为恒定的特性，以及提供气隙中的磁通密度的垂直分量的正弦分布。
25.按照权利要求24所述的方法，其中选择步骤包括以下步骤将所述多个磁极片中每个的长度设置为所述多个永磁体中每个的长度的三分之二(2/3)。
26.按照权利要求24所述的方法，其中选择步骤包括以下步骤将端部磁极片中每个的长度设置为所述多个磁极片中每个的长度的一半(1/2)。
全文摘要
本发明披露了一种直线运动装置，其包括电枢装置和磁场装置，所述磁场装置包括多个永磁体，每个永磁体具有一定长度；以及多个磁极片，每个磁极片具有一定长度，并且其中所述多个磁极片的长度适合于在采用正弦换向时实现力相对行程为恒定的特性。
文档编号H02K41/03GK1682423SQ01822876
公开日2005年10月12日 申请日期2001年12月21日 优先权日2000年12月26日
发明者M·戈金 申请人:Bel传感器及系统有限公司